i.MX6ULL嵌入式Linux开发1-uboot移植初探

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码农爱学习 发表于 2021/07/18 18:51:08 2021/07/18
【摘要】 本系列教程以i.MX6ULL处理器的ARM开发板为实验基础,学习记录嵌入式Linux开发的各种知识与经验,主要内容包括嵌入式Linux移植,嵌入式Linux驱动开发,嵌入式Linux应用开发等。

本系列教程以i.MX6ULL处理器的ARM开发板为实验基础,学习记录嵌入式Linux开发的各种知识与经验,主要内容包括嵌入式Linux移植,嵌入式Linux驱动开发,嵌入式Linux应用开发等。

本系列教程将以野火的i.MX6ULL eMMC开发板为硬件基础,以野火EBF6ULL Pro开发板教程正点原子i.MX6ULL阿尔法开发板教程为参考,进行学习实践。

1 嵌入式Linux移植概述

Linux 的移植主要包括3部分:

  • 移植bootloader 代码, Linux 系统要启动就必须需要一个 bootloader 程序,也就说芯片上电以后先运行一段bootloader程序。 这段bootloader程序会先初始化DDR等外设, 然后将Linux内核从flash(NAND,NOR FLASH,SD,MMC 等)拷贝到 DDR 中,最后启动 Linux 内核。 bootloader 有很多,常用的就是 U-Boot。

    bootloader 和 Linux 内核的关系就跟 PC 上的 BIOS 和 Windows 的关系一样,bootloader 就相当于 BIOS。

  • 移植Linux 内核,Linux内核由一系列程序组成,包括负责响应中断的中断服务程序、负责管理多个进程从而分享处理器时间的调度程序、负责管理地址空间的内存管理程序、网络、进程间通信的系统服务程序等。内核负责管理系统的硬件设备。

  • 移植根文件系统(rootfs),Linux 中的根文件系统更像是一个文件夹或者叫做目录,在这个目录里面会有很多的子目录。根目录下和子目录中会有很多的文件,这些文件是 Linux 运行所必须的,比如库、常用的软件和命令、设备文件、配置文件等等。根文件系统里面包含了一些最常用的命令和文件。

    U-Boot、Linux kernel 和 rootfs这三者一起构成了一个完整的 Linux 系统,一个可以正常使用、功能完善的 Linux 系统。

2 实验开发板简介

本测试使用的开发板为野火的i.MX6ULL eMMC开发板。

3 U-Boot简介

uboot 的全称是Universal Boot Loader,遵循 GPL 协议的开源软件。

uboot 是一个裸机代码,可以看作是一个裸机综合例程。现在的 uboot 已经支持液晶屏、网络、USB 等高级功能。uboot 官网为 https://www.denx.de/wiki/U-Boot/

可以在uboot官网下载uboot源码,点击左侧 Topics 中的“Source Code”,然后点击的“FTP Server” ,进入其 FTP 服务器即可看到 uboot 源码。

但我们移植uboot时一般不会直接用 uboot 官方的源码的,官方的源码是给半导体厂商准备的,半导 体厂商会根据自家的芯片,维护自己芯片对应的uboot。

NXP(freescale)维护的的uboot地址: https://github.com/Freescale/u-boot-fslc


4 NXP uboot测试

uboot移植并不需要从零开始将 uboot 移植到我们现在所使用的开发板上。因为半导体厂商通常都会自己做一个开发板(原厂开发板), 将uboot移植到他们自己的原厂开发板上,再将这个uboot(原厂BSP 包)发布出去。

市面上的开发板,通常会参考原厂的开发板做硬件,然后在原厂提供的 BSP 包上做修改,如正点原子和野火的 I.MX6ULL 开发板参考的就是NXP官方的 I.MX6ULL EVK 开发板做的硬件:

4.1 编译环境搭建

4.1.1 交叉编译器下载

嵌入式Linux开发,程序编译通常在电脑端的Linux(如虚拟机中的Ubuntu)下进行编译,Ubuntu 自带gcc 编译器,但该编译器是针对 X86 架构的!而嵌入式Linux是ARM架构的, 所以需要一个在 X86 架构上可以编译 ARM 架构代码的 gcc编译器,即交叉编译器

交叉编译器有很多,本实验使用 Linaro 出品的交叉编译器,下载地址:

https://releases.linaro.org/components/toolchain/binaries/4.9-2017.01/arm-linux-gnueabihf/


4.1.2 交叉编译器安装

在Ubuntu中创建目录:/usr/local/arm,并将下载的gcc-linaro-4.9.4-2017.01-x86_64_arm-linux-gnueabihf.tar.xz复制到此文件中,然后解压,解压命令如下:

sudo tar -vxf gcc-linaro-4.9.4-2017.01-x86_64_arm-linux-gnueabihf.tar.xz

解压完成以后会生成一个名为“gcc-linaro-4.9.4-2017.01-x86_64_arm-linux-gnueabihf”的文件夹,这个文件夹里面就是我们的交叉编译工具链。

然后,需要将该目录添加到环境变量中。打开/etc/profile 以后,在最后面输入如下所示内容:

export PATH=$PATH:/usr/local/arm/gcc-linaro-4.9.4-2017.01-x86_64_arm-linux-gnueabihf/bin 

使用交叉编译器之前还需要安装其它的库,命令如下:

sudo apt-get install lsb-core lib32stdc++6 

安装完之后,可以查看交叉编译工具的版本号,输入如下命令:

arm-linux-gnueabihf-gcc -v 

可以看到类似如下打印

以看出当前交叉编译器的版本号为 4.9.4,说明交叉编译工具链安装成功。


4.2 编译原厂uboot

编译前还要在Ubuntu 中安装ncurses 库,安装命令如下:

sudo apt-get install libncurses5-dev 

在Ubuntu中创建存放uboot的目录,如我的目录是:/home/xxpcb/myTest/imx6ull/uboot/nxp_uboot

然后,将NXP(freescale)的uboot源码复制进来,这里使用的是正点原子提供的NXP官方原版Uboot源码包( uboot-imx-rel_imx_4.1.15_2.1.0_ga.tar.bz2)

然后进行解压:

tar -vxjf uboot-imx-rel_imx_4.1.15_2.1.0_ga.tar.bz2

解压后的源码文件如下:


首先看下uboot的配置,configs 目录下有很多跟 I.MX6UL/6ULL 有关的配置,找到与mx6ull相同的,如下图。

因为我这个开发板是emmc版本的,所有就使用这个mx6ull_14x14_evk_emmc_defconfig

编译uboot使用下面3条指令:

make ARCH=arm CROSS_COMPILE=arm-linux-gnueabihf- distclean
make ARCH=arm CROSS_COMPILE=arm-linux-gnueabihf- mx6ull_14x14_evk_emmc_defconfig
make V=1 ARCH=arm CROSS_COMPILE=arm-linux-gnueabihf- -j8

这3条命令中 :

  • ARCH=arm 设置目标为 arm 架构

  • CROSS_COMPILE 指定所使用的交叉编译器。

  • 第1条命令相当于make distclean,目的是清除工程,一般在第一次编译的时候最好清理一下工程。

  • 第2条指令相当于make mx6ull_14x14_evk_emmc_defconfig ,用于配置 uboot,配置文件为 mx6ull_14x14_evk_emmc_defconfig。

  • 第3条指令相当于make -j8,也就是使用8核来编译uboot。

为了方便的执行着3条指令,可以将这些指令写成shell脚本,比如在uboot源码目录下新建一个build.sh文件,写入如下内容:

#!/bin/bash
​
make ARCH=arm CROSS_COMPILE=arm-linux-gnueabihf- distclean
make ARCH=arm CROSS_COMPILE=arm-linux-gnueabihf- mx6ull_14x14_evk_emmc_defconfig
make V=1 ARCH=arm CROSS_COMPILE=arm-linux-gnueabihf- -j8

然后进行编译:

./build.sh

编译完成以后uboot 源码多了一些文件,其中u-boot.bin就是编译出来的 uboot二进制文件。 uboot是个裸机程序, 因此需要在其前面

加上头部(IVT、 DCD等数据)才能在I.MX6U上执行,u-boot.imx文件就是添加头部以后的 u-boot.bin。

u-boot.imx 就是我们最终要烧写到开发板中的 uboot 镜像文件。


4.3 烧录开发板

这是的烧录开发板,实际是要烧录到SD卡中,然后将SD卡插入开发板,让开发板从SD卡启动(需要在开发板上设置拨码开关来选择启动方式)。

4.3.1 烧录到SD卡

正点原子专门编写了一个小软件用来将编译出来的.bin 文件烧写到 SD 卡中,这个软件叫做“imxdownload

将imxdownload 复制到 Ubuntu 中的uboot源码文件夹,再使用如下指令,给予 imxdownload 可执行权限:

chmod 777 imxdownload

然后电脑USB中插入SD卡(读卡器),并在虚拟机中设置usb加载(VMware或VirtualBox虚拟机需要先安装增强功能才能使用)

然后可以使用如下指令来查看SD卡的挂载标识符:

ls /dev/sd* 

查看输出结果:

这里的/dev/sdb就是我的SD卡。

注:我第一次使用SD卡烧录时,只多出了/dev/sdb,但不知什么情况,用了几次后,再插入SD卡,就会同时多出来/dev/sdb和/dev/sdb1,但实际测试,仍然把程序烧录到/dev/sdb也能用)。

imxdownload向SD卡烧写led.bin文件,命令格式如下:

./imxdownload u-boot.bin /dev/sdb 

注意不能烧写到/dev/sdasda1设备里面!那是系统磁盘。

烧写过程会输入如下信息:

烧写的最后一行会显示烧写大小、用时和速度,比如u-boot.bin烧写到SD卡中的大小是 423KB,用时 1.7s,烧写速度是 236KB/s。

注意这个烧写速度,如果这个烧写速度在几百KB/s 以下那么就是正常烧写。 如果这个烧写速度大于几十MB/s、甚至几百MB/s那么肯定是烧写失败了! 重新插拔/格式化SD卡或重启ubuntu再试。

烧写完成以后会在当前工程目录下生成一个load.imx的文件,这个文件就是软件 imxdownload 根据 NXP 官方启动方式介绍的内容, 在 bin 文件前面添加了一些数据头以后生成的。最终烧写到 SD卡里面的就是这个imx文件。

4.3.2 启动开发板

烧录完之后,将SD卡插入开发板启动,使用串口连接电脑,查看uboot启动信息。

设置好串口参数(波特率115200)并打开,按键复位开发板

当串口打印上出现“Hit any key to stop autoboot”倒计时的时候按下键盘上的回车键,默认是 3 秒倒计时,在 3 秒倒计时结束以后如果没有按下回车键的话 uboot 就会使用默认参数来启动 Linux 内核了。

如果在 3 秒倒计时结束之前按下回车键,那么就会进入 uboot 的命令行模式:

解读一下这些信息的含义:

  • 第1行是 uboot 版本号和编译时间:当前的 uboot 版本号是 2016.03,编译时间是 2021/7 /11/15:22:25

  • 第3、4 行是 CPU 信息:当前使用的 CPU 是飞思卡尔(属于NXP)的 I.MX6ULL (频率为 792MHz),此时运行在 396MHz。这颗芯片是工业级的,结温为-40°C~105°C

  • 第 5 行是复位原因:I.MX6ULL 芯片上有个 POR_B 引脚,将这个引脚拉低即可复位 I.MX6ULL。

  • 第 6 行是板子名字,“MX6ULL 14x14 EVK”即NXP原厂开发板的名字 。

  • 第 7 行提示 I2C 准备就绪

  • 第 8 行提示当前板子的DRAM(内存) 为 512MB

  • 第 9 行提示当前有两个MMC/SD 卡控制器:FSL_SDHC(0)和 FSL_SDHC(1)。I.MX6ULL支持两个 MMC/SD,正点原子的 I.MX6ULL EMMC 核心板上 FSL_SDHC(0)接的 SD(TF)卡,FSL_SDHC(1)接的 EMMC。

  • 第10行是一条警告信息,先忽略。

  • 第 12、13 行是 LCD 型号,原厂默认的是TFT43AB (480x272)。

  • 第 14~16 是标准输入、标准输出和标准错误所使用的终端,这里都使用串口(serial)作为终端。

  • 第 17 、18行是切换到emmc的第0个分区上,因为当前的 uboot 是 emmc 版本的,也就是从 emmc 启动的。我们只是为了方便将其烧写到了 SD 卡上,但是它的“内心”还是 EMMC的。所以 uboot 启动以后会将 emmc 作为默认存储器 。

  • 第 19行是网口信息,提示我们当前使用的 FEC1 这个网口,I.MX6ULL 支持两个网口。

  • 第 20行提示 FEC1 网卡地址没有设置(后面我们会讲解如何在uboot 里面设置网卡地址)。

  • 第 22行提示正常启动, 也就是说 uboot要从emmc里面读取环境变量和参数信息启动 Linux内核了。

  • 第23行是倒计时提示,默认倒计时 3 秒,倒计时结束之前按下回车键就会进入 Linux 命令行模式。如果在倒计时结束以后没有按下回车键,那么 Linux 内核就会启动,Linux 内核一旦启动,uboot 就运行结束了。

  • 第23行是在倒计时 3 秒内按了回车键,符号=>表示可以继续与uboot进行命令交互

看过了串口的uboot信息,再来看一下板子是实际运行情况:

由于原厂的uboot驱动的屏幕是TFT43AB (480x272),与我这里屏幕不一样,所以屏幕没有正常显示(现在的屏幕看起来有许多彩色的小点点),接下来,就是对uboot进行屏幕驱动的修改。

在本篇结束之前,再来研究一下uboot的串口指令。

4.4 uboot命令初探

上面说道,在uboot启动的3 秒倒计时内,串口界面如果按下了回车键,uboot就会输出符号=>,则可以继续与uboot进行命令交互。那可以输入哪些命令呢?

4.4.1 help命令查看所有指令

输入help或者 ,然后按下回车即可查看当前 uboot 所支持的命令:

=> help
?       - alias for 'help'
base    - print or set address offset
bdinfo  - print Board Info structure
bmode   - sd1|sd2|qspi1|normal|usb|sata|ecspi1:0|ecspi1:1|ecspi1:2|ecspi1:3|esdhc1|esdhc2|esdhc3|esdhc4 [noreset]
bmp     - manipulate BMP image data
boot    - boot default, i.e., run 'bootcmd'
bootd   - boot default, i.e., run 'bootcmd'
bootelf - Boot from an ELF image in memory
bootm   - boot application image from memory
bootp   - boot image via network using BOOTP/TFTP protocol
bootvx  - Boot vxWorks from an ELF image
bootz   - boot Linux zImage image from memory
clocks  - display clocks
clrlogo - fill the boot logo area with black
cmp     - memory compare
coninfo - print console devices and information
cp      - memory copy
crc32   - checksum calculation
dcache  - enable or disable data cache
dhcp    - boot image via network using DHCP/TFTP protocol
dm      - Driver model low level access
echo    - echo args to console
editenv - edit environment variable
env     - environment handling commands
erase   - erase FLASH memory
exit    - exit script
ext2load- load binary file from a Ext2 filesystem
ext2ls  - list files in a directory (default /)
ext4load- load binary file from a Ext4 filesystem
ext4ls  - list files in a directory (default /)
ext4size- determine a file's size
ext4write- create a file in the root directory
false   - do nothing, unsuccessfully
fatinfo - print information about filesystem
fatload - load binary file from a dos filesystem
fatls   - list files in a directory (default /)
fatsize - determine a file's size
fdt     - flattened device tree utility commands
flinfo  - print FLASH memory information
fstype  - Look up a filesystem type
fuse    - Fuse sub-system
go      - start application at address 'addr'
gpio    - query and control gpio pins
help    - print command description/usage
i2c     - I2C sub-system
icache  - enable or disable instruction cache
iminfo  - print header information for application image
imxtract- extract a part of a multi-image
itest   - return true/false on integer compare
load    - load binary file from a filesystem
loadb   - load binary file over serial line (kermit mode)
loads   - load S-Record file over serial line
loadx   - load binary file over serial line (xmodem mode)
loady   - load binary file over serial line (ymodem mode)
loop    - infinite loop on address range
ls      - list files in a directory (default /)
md      - memory display
mdio    - MDIO utility commands
mii     - MII utility commands
mm      - memory modify (auto-incrementing address)
mmc     - MMC sub system
mmcinfo - display MMC info
mtest   - simple RAM read/write test
mw      - memory write (fill)
nfs     - boot image via network using NFS protocol
nm      - memory modify (constant address)
ping    - send ICMP ECHO_REQUEST to network host
pmic    - PMIC
printenv- print environment variables
protect - enable or disable FLASH write protection
reset   - Perform RESET of the CPU
run     - run commands in an environment variable
save    - save file to a filesystem
saveenv - save environment variables to persistent storage
setenv  - set environment variables
setexpr - set environment variable as the result of eval expression
sf      - SPI flash sub-system
showvar - print local hushshell variables
size    - determine a file's size
sleep   - delay execution for some time
source  - run script from memory
test    - minimal test like /bin/sh
tftpboot- boot image via network using TFTP protocol
true    - do nothing, successfully
usb     - USB sub-system
usbboot - boot from USB device
version - print monitor, compiler and linker version
=>

4.4.2 查看指令的使用说明

命令的具体使用方法,可以输入help 命令名? 命令名查看,以“bootz”这个命令为例:

=> help bootz
bootz - boot Linux zImage image from memory
​
Usage:
bootz [addr [initrd[:size]] [fdt]]
    - boot Linux zImage stored in memory
        The argument 'initrd' is optional and specifies the address
        of the initrd in memory. The optional argument ':size' allows
        specifying the size of RAW initrd.
        When booting a Linux kernel which requires a flat device-tree
        a third argument is required which is the address of the
        device-tree blob. To boot that kernel without an initrd image,
        use a '-' for the second argument. If you do not pass a third
        a bd_info struct will be passed instead
​
=>

4.4.3 信息查询命令

常用的和信息查询有关的命令有 3 个:bdinfoprintenvversion

  • bdinfo 板子信息

=> bdinfo
arch_number = 0x00000000
boot_params = 0x80000100
DRAM bank   = 0x00000000
-> start    = 0x80000000
-> size     = 0x20000000
eth0name    = FEC1
ethaddr     = (not set)
current eth = FEC1
ip_addr     = <NULL>
baudrate    = 115200 bps
TLB addr    = 0x9FFF0000
relocaddr   = 0x9FF47000
reloc off   = 0x18747000
irq_sp      = 0x9EF44EA0
sp start    = 0x9EF44E90
FB base     = 0x00000000
=>

从打印信息可以得出 DRAM 的起始地址和大小、启动参数保存起始地址、波特率、sp(堆栈指针)起始地址等信息.

  • printenv 打印环境变量

=> printenv
baudrate=115200
board_name=EVK
board_rev=14X14
boot_fdt=try
bootcmd=run findfdt;mmc dev ${mmcdev};mmc dev ${mmcdev}; if mmc rescan; then if run loadbootscript; then run bootscript; else if run loadimage; thn run mmcboot; else run netboot; fi; fi; else run netboot; fi
bootcmd_mfg=run mfgtool_args;bootz ${loadaddr} ${initrd_addr} ${fdt_addr};
bootdelay=3
bootscript=echo Running bootscript from mmc ...; source
console=ttymxc0
ethact=FEC1
ethprime=FEC
fdt_addr=0x83000000
fdt_file=undefined
fdt_high=0xffffffff
findfdt=if test $fdt_file = undefined; then if test $board_name = EVK && test $board_rev = 9X9; then setenv fdt_file imx6ull-9x9-evk.dtb; fi; if tst $board_name = EVK && test $board_rev = 14X14; then setenv fdt_file imx6ull-14x14-evk.dtb; fi; if test $fdt_file = undefined; then echo WARNING:Could not determine dtb to use; fi; fi;
image=zImage
initrd_addr=0x83800000
initrd_high=0xffffffff
ip_dyn=yes
loadaddr=0x80800000
loadbootscript=fatload mmc ${mmcdev}:${mmcpart} ${loadaddr} ${script};
loadfdt=fatload mmc ${mmcdev}:${mmcpart} ${fdt_addr} ${fdt_file}
loadimage=fatload mmc ${mmcdev}:${mmcpart} ${loadaddr} ${image}
mfgtool_args=setenv bootargs console=${console},${baudrate} rdinit=/linuxrc g_mass_storage.stall=0 g_mass_storage.removable=1 g_mass_storage.file=fat g_mass_storage.ro=1 g_mass_storage.idVendor=0x066F g_mass_storage.idProduct=0x37FF g_mass_storage.iSerialNumber="" clk_ignore_unused
mmcargs=setenv bootargs console=${console},${baudrate} root=${mmcroot}
mmcautodetect=yes
mmcboot=echo Booting from mmc ...; run mmcargs; if test ${boot_fdt} = yes || test ${boot_fdt} = try; then if run loadfdt; then bootz ${loadaddr} -${fdt_addr}; else if test ${boot_fdt} = try; then bootz; else echo WARN: Cannot load the DT; fi; fi; else bootz; fi;
mmcdev=0
mmcpart=1
mmcroot=/dev/mmcblk0p2 rootwait rw
netargs=setenv bootargs console=${console},${baudrate} root=/dev/nfs ip=dhcp nfsroot=${serverip}:${nfsroot},v3,tcp
netboot=echo Booting from net ...; run netargs; if test ${ip_dyn} = yes; then setenv get_cmd dhcp; else setenv get_cmd tftp; fi; ${get_cmd} ${imag}; if test ${boot_fdt} = yes || test ${boot_fdt} = try; then if ${get_cmd} ${fdt_addr} ${fdt_file}; then bootz ${loadaddr} - ${fdt_addr}; else if est ${boot_fdt} = try; then bootz; else echo WARN: Cannot load the DT; fi; fi; else bootz; fi;
panel=TFT43AB
script=boot.scr
​
Environment size: 2431/8188 bytes
=>

这里有很多的环境变量, 比如baudrate、 board_name、 board_rec、 boot_fdt、 bootcmd等。比如 bootdelay 这个环境变量就表示 uboot 启动延时时间,默认 bootdelay=3,也就默认延时 3秒。前面说的 3 秒倒计时就是由 bootdelay 定义的。另外uboot 中的环境变量都是字符串。

  • version 版本信息

=> version

U-Boot 2016.03 (Jul 11 2021 - 15:22:25 +0800)
arm-linux-gnueabihf-gcc (Linaro GCC 4.9-2017.01) 4.9.4
GNU ld (Linaro_Binutils-2017.01) 2.24.0.20141017 Linaro 2014_11-3-git
=>

当前uboot 版本号为 2016.03,编译日期2021/7/11,编译器为arm-linux-gnueabihf-gcc。

本篇uboot移植初探(原厂uboot烧录测试)就到这里,下一篇进行实际的uboot移植,使得uboot与所用的开发板匹配

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